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Entwicklung eines scannenden Prüfgeräts zur Detektion von Delaminationen in Betonfahrbahndecken

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[Quelle: https://bast.opus.hbz-nrw.de]

Ein bedeutender Teil (ca. 30 Prozent) der Bundesautobahnen ist in Betonbauweise hergestellt. An solchen Fahrbahnen können spezielle Schadensbilder auftreten, die in Zusammenhang mit chemischen Reaktionen (insbesondere Schädigung aufgrund Alkali-Kieselsäure-Reaktion) oder mechanischer und thermischer Beanspruchung stehen (z.B. Hitzeschäden). Zur zerstörungsfreien Zustandserfassung im Hinblick auf substanzielle Schäden von Fahrbahndecken aus Beton steht derzeit noch kein wirtschaftlich sinnvoll einsetzbares Prüfsystem zur Verfügung, das als Entscheidungsgrundlage für Instandsetzungsmaßnahmen dienen könnte. Zwar gibt es Systeme mit denen z.B. die Tragfähigkeit oder der komplette Straßenaufbau (Georadar) repräsentativ und auch mit hohen Scangeschwindigkeiten abgebildet werden kann. Jedoch ist die Abbildung von auf der Oberfläche nicht sichtbaren horizontalen Rissen und Delaminationen im Inneren der Betondecke nur mit großem Aufwand messtechnisch durchführbar. Deshalb wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens ein scannendes Messverfahren entwickelt und in einem Prototypensystem implementiert. Das System erlaubt die Durchführung von Messungen auf Basis von elastischen Wellen- und Schwingungsphänomenen, die direkt mit strukturellen Eigenschaften wie z.B. dem Vorhandensein von Rissen korrelierbar sind. Das entwickelte Messsystem nutzt als Grundlage das sog. Impakt-Echo-Verfahren, bei dem durch einen mechanischen Impakt elastische Wellen im Betonkörper ausgelöst, mit geeigneter Sensorik empfangen und mit Methoden der Datenverarbeitung im Hinblick auf Informationen bezüglich Materialkennwerten und Schäden analysiert werden. Im Laufe der Entwicklungsarbeiten wurden messtechnische Komponenten wie Sensorik, Signalquellen und Messelektronik für die speziellen Erfordernisse scannender Messungen an Betonfahrbahndecken im Bestand konzeptioniert, hergestellt und optimiert. Insbesondere wurde zur Realisierung der scannenden Funktionsweise eine luftschallbasierte Signalaufzeichnung implementiert. Darüber hinaus wurden auf Basis numerischer Simulationen und Realmessungen Methoden zur Datenverarbeitung und korrekten Interpretation der Messdaten erarbeitet. Testmessungen wurden sowohl an ausgebauten Fahrbahnplatten als auch an ausgewählten Fahrbahnen im Bestand durchgeführt.

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Erhaltung und Instandsetzung von Straßen verursachen jährlich Kosten in Milliardenhöhe, sodass es ein erstrebenswertes Ziel ist, die Entstehungs- und Entwicklungsmechanismen von Straßenschäden besser zu verstehen. Darüber hinaus vermindern longitudinale Unebenheiten von Straßen als eine wichtige Schädigungsart den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit. Die Entwicklung dieser Unebenheit ist in besonderem Maße durch die Wechselwirkung mit dynamischen Lasten von Fahrzeugen geprägt: eine zunehmende Unebenheit ruft höhere dynamische Lasten hervor, welche wiederum die Straße in verstärktem Maße schädigen. Das Ziel der Arbeit ist es, dieses Wechselspiel zwischen Straßenunebenheiten und Fahrzeugen im Laufe einer großen Anzahl von Überfahrten zu untersuchen. Das Interesse gilt dabei dem Schwerlastverkehr, dem eine überproportionale Schädigung der Straßen zugeschrieben wird. Um systematisch den Einfluss einzelner Fahrzeug- und Straßenparameter auf die Entwicklung bereits vorhandener Unebenheiten in der Straßenoberfläche zu analysieren, wird ein geeignet abstrahiertes Fahrzeugmodell zur Abbildung der Vertikaldynamik von Lastkraftwagen formuliert sowie ein phänomenologisches Gesetz zur Berechnung der bleibenden Verformung infolge der Lasteinwirkung in Abhängigkeit der Anzahl der Fahrzeugüberfahrten verwendet. Die Veränderung der Spurrinnentiefe und der Unebenheitsamplituden sowie die Verschiebung der Bodenwellen durch die Radaufstandskräfte wird mittels eines inkrementellen Vorgehens auf Basis eines einseitig gekoppelten Ansatzes berechnet: für jede Überfahrt werden die dynamischen Kontaktkräfte und die resultierende bleibende Verformung ermittelt. Auf diese Weise ist es möglich, die Entwicklung der Unebenheitsamplitude einzelner Spektralanteile der Straßenoberfläche zu prognostizieren, ohne aufwändige Zeitintegrationen durchführen zu müssen. Dabei zeigt sich, dass ein in der Anzahl der Belastungen lineares Schädigungsgesetz im Normalfall qualitativ gleichwertige Aussagen wie ein in der Belastungsanzahl nichtlineares Gesetz li

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Um eine sinnvolle Verfahrensauswahl beim Verkehrswegebau auf gering tragfähigem Untergrund zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Vielfalt der Verfahren sowie deren Anwendungsbereiche zu kennen. Ein übergeordnetes Ziel dieser Arbeit ist es daher, die derzeit existierenden und ausgeführten Verfahren zur Baugrundverbesserung zu erfassen und in eine Gesamtübersicht zu integrieren. Dazu werden zunächst alle relevanten Baugrundverbesserungsmaßnahmen hinsichtlich ihrer Haupteigenschaften zugeordnet. Im Anschluss daran erfolgt die genauere Betrachtung der benannten Verfahren hinsichtlich der Anwendungsbereiche, Verfahrensbeschreibung, Vor- und Nachteile sowie deren Anwendungskriterien. Ausgehend von der Betrachtung der verschiedenen Verfahren wird für den Neubau der Südumgehung von Mühlhausen im Rahmen einer Vorbemessung die vergleichende Betrachtung verschiedener Baugrundverbesserungsvarianten durchgeführt. Ausgehend von dieser Vorbemessung werden die wirtschaftlich und gebrauchstauglich sinnvollsten Verfahren für eine intensivere Betrachtung ausgewählt. Auf Grundlage der gewählten Verfahren werden erdstatische Berechnungen zur Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit durchgeführt. Des Weiteren wird anhand numerischer Berechungen das Setzungsverhalten in Abhängigkeit von den verfahrensspezifischen Eigenschaften untersucht und bewertet. Im Anschluss daran erfolgte unter anderem eine Bewertung der verschiedenen Verfahren hinsichtlich der Standsicherheit, der Gebrauchstauglichkeit, der Wirtschaftlichkeit und der Ausführungszeit. Dazu werden verschiedene Kriterien benannt und für diese Verfahren vergleichend gegenüber gestellt.

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Zeitschriftenartikel

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Voß, Karl-Uwe
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Wellner, Frohmut
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